книги из ГПНТБ / Теплов Л. Очерки о кибернетике

Она не могла уже найти положение равновесия, а скорость ее враще­ ния зависела от разницы в частотах двух потоков сигналов.

Но совместное действие цепей требует объединения, согласования' сигналов в разных цепях. Оно выполняется нервными узлами (ганглия­ ми), куда сходятся цепи сообщений и цепи управления.

Обратные связи, идущие от нервных узлов к клеткам-«датчикам», приводят их чувствительность в соответствие с силой раздражителя. По подсчетам О. Ранке, волокно зрительного нерва человека передает 28 различающихся по частоте сообщений о степени раздражения от све­ точувствительных датчиков, образующих сетчатку глаза. Наименьшая1 освещенность, которую воспринимает глаз, равна 0,00001 апостильба, а наибольшая— 100 тысяч апостильбов, — дальше начинается ослепле­ ние. Разница, как видите, огромная — в 10 миллиардов раз! Можно по­ думать, что глаз ощутит разницу в освещенности, только если она изме­ нится в миллионы раз. На самом деле, изменение освещенности на 15% всегда ощущается глазом, а в обычных условиях, к которым глаз при­ способлен, достаточно изменения освещенности на полпроцента. Как же достигается такой широкий диапазон чувствительности?

В психологии известен закон Вебера-Фехтнера, опытно установлен­ ный к середине XIX века, по которому ощущение пропорционально ло­ гарифму раздражения. Если предположить, что глаз ощущает возраста­

169

ние освещения вдвое, то на весь диапазон его чувствительности придет­ ся только 33 удвоения. Эти расчеты вполне подобны тем, которыми мы пользуемся, высчитывая величину информации: 33 бита обеспечивают выбор одного из более чем 8 миллиардов продолжений.

Но для передачи ступеней максимальной чувствительности требует­ ся 38 бит, а отдельный нерв дает нам только 28. Приспособление глаза к условиям освещения, выполняемое обратной связью, позволяет устра­ нить эту разницу. На свету зрачок сужается, а в темноте расширяется. Сигнал, полученный сетчаткой при возрастании освещения, возвращает­ ся к глазу и вызывает снижение освещенности. «Первые» 10 бит при этом исчезают, информация становится неполной: мы не ощущаем абсолют­ ной величины освещенности. Но это может беспокоить только фотогра­ фов, определяющих экспозицию светочувствительных пленок. Зато мы очень точно определяем относительную разницу в освещенности, на ко­ торой строится все зрительное восприятие окружающих предметов, их

формы и цвета.

Другие обратные связи ведут от мышц к нервным узлам. Они несут сигналы об исполнении команд, о рассогласовании между существую­ щим положением и тем, которое должно быть достигнуто. Обратная

•связь контролирует устойчивость состояния органа относительно задан­ ного положения. Расстройство этой системы может привести к невоз­ можности координировать движения.

Временное отключение обратных связей испытывал каждый, кому случалось «отсидеть» ногу. Прежде чем начнется резкое щекотание, предвещающее восстановление обратной чувствительности, человек с удивлением наблюдает, что он может шевелить ногой, но при этом не знает, шевелится ли она: нога, как деревянная или чужая, ничего не со­

общает о своем положении.

Чтобы сигналы, идущие по цепям управления, не накладывались друг на друга и не искажались, организм бросает на помощь запасы

•окружающих клеток. Одни из них — глиозные — окружают нервы, дру­ гие заполняют промежутки изолирующим жироподобным веществом —

Нервный узел в зрительных путях в ответ на поступающее сообщение «свет сла­ беет» дает обратную команду — «растянуть зрачок» (слева). Если свет усиливает­

ся, зрачок сужается. Так работает обратная связь адаптации.

170

примитивным поведением. Он представлял бы собой жесткую структур­ ную систему с вполне определенными свойствами, изменяет которые только болезнь. Всякое такое изменение приносило бы вред организму, нарушая строение его сигнальной системы.

Однако все высшие животные в течение жизни совершенствуют свое поведение, сообразуясь с устройством внешнего мира. Структура их сиг­ нальной системы за это время изменяется; некоторые врожденные реф­ лексы, например инстинкт продолжения рода, проявляются довольно поздно. Но основную массу информации, обеспечивающую поведение животных, нельзя свести к структуре нервов, обусловленной наслед­ ственностью; есть какая-то иная возможность, позволяющая их нервной системе накапливать информацию.

И. П. Павловым. С огромной научной достоверностью и точностью он ставил опыты, в которых мозг собаки от простой фиксации удовлетво­ рения голода шаг за шагом приходил к самым сложным вариантам опознания и поведения.

До сих пор распространено старинное убеждение, что уж во всяком

171

случае низшие животные (например, червяк, пчела, паук) ничему не научаются, все их поведение представляет собой цепь неизменных, же­ стко программированных действий. «Этого взгляда придерживаются те, кто черпает свои знания, переставляя понятия и пренебрегая опытом»,— замечает Я- Дембовский. «В их работе нет особой точности, — говорит он о поведении пчелы и паука, — эта работа не всегда одна и та же,

кизмененным условиям эти животные отлично приспособляются».

В1939 г. биолог Р. Тауэр поставил простой опыт. Он измерял тем­

пературу птенца и температуру окружающего воздуха. Оказалось, что в первые десять дней самостоятельного существования у птенца не ре­ гулируется даже температура тела. Только к пятнадцати дням она ста­ новится почти независимой от температуры воздуха.

Поддержание уровня температуры, состава крови и других парамет­ ров с помощью постоянно настроенной обратной связи для животных нецелесообразно, так как их жизнь подчиняется смене ритмов: то живот­ ное спит, то питается, то обеспечивает размножение, и каждому состоя­ нию должны соответствовать свои значения параметров. Во сне человек поддерживает другую температуру, чем в период бодрствования. Все обратные связи организма представляют собой цепи следящих систем с программным управлением. Они перенастраиваются в зависимости от ритмической смены поведений, и, например, у крысы, как подозревают, имеется около 15 жизненных ритмов разной длительности, т. е. 15 раз­ ных, но одновременно выполняемых программ.

Новая информация, как известно, может накапливаться только на основе уже существующей. В нервной системе животного должны нахо­ диться наследственные критерии поведения и, прежде всего, способ­ ность полярно группировать некоторые сообщения и команды по прин­ ципу «да — нет»: ощущение сытости, например, относится к «да», а боль, голод — к «нет». Уже у простейших организмов с критерием «нет» свя­ зана растущая активность движений и шум в системе управления, обес­ печивающий поиск, а с критерием «да» — покой. Далее возникают более или менее чистые «тропизмы»: гидра всегда передвигается к свету, а червь, клоп, новорожденный крысенок — от света. Ощущение света у гидры связано с узлом поведения «да», а у клопа —• с узлом «нет» (хотя

него.

На основании первичных критериев в нервных узлах, а особенно в головном или надглоточном ганглии, постепенно разрастающемся в го­ ловной мозг, накапливается информация о вторичных критериях, пред­ ставляющих собою более частные цели поведения. К сожалению, анато­ мический и физиологический материал еще недостаточен, чтобы точно определить, какой вид памяти — статический или динамический — гос­ подствует в нервной системе. Память может иметь форму замкнутогоконтура, в котором циркулируют последовательности сигналов, — тогда она называется динамической. Анатомы при микроскопических исследо­

172

ваниях нервной ткани обнаруживали замкнутые кольца из нейронов, и гипотеза о динамической памяти животных приобрела некоторую попу­ лярность. Но против нее свидетельствует значительная устойчивость воспоминаний, сохраняющихся даже после временного обескровливания нервной ткани. Более вероятно, что так называемые «вставочные» ней­ роны при совпадениях накапливают какой-то потенциал — например, ко­ личество ацетилхолина в синапсе, ■— как это делают элементы описанной раньше «статистической матрицы» переходов, и запоминание сводится к перераспределению этих потенциалов в ткани. Если это так, то мы имеем в нервной системе главным образом статическую память.

...Автор надеется, что внимательный читатель в этом месте заметит уже знакомый поворот мысли. Действительно, нам более или менее уда­ лось свести проблему поведения к известному образу— распределению точек в некотором поле. Это распределение обладает целесообразной структурой, мы знаем его физические и кибернетические свойства. Нечто подобное мы рассматривали в связи с проблемой возникновения жизни. Можно ожидать, что структура, в полном соответствии с аксиомой о естественном возрастании энтропии, стремится стать похожей на моле­ кулярный хаос. Что это означает для поведения?

Ну, конечно, забывание. Наблюдается ли это явление в жизни? Бесспорно. Всякие навыки и формы поведения, если они не подкрепля­ ются тренировкой, повторением, исчезают.

Можно заранее догадаться, что обратные связи контроля будут устранять тенденцию к нарастанию энтропии, ликвидируя влияние по­ мех. Существуют два типа помех, препятствующих поведению, — внеш­ ние и внутренние. Помехи, возникающие в самом поле переходов, приво-

Модель динамического контура памяти (слева), в котором сигналы могут сохранять информацию неопределенно долго, до тех пор, пока она не будет использована (справа).

173

8 странную обстановку попадает герой-звездоплаватель по воле писателяфантаста.

дят к забыванию, и оно периодически устраняется тем, что коды раз­ дваиваются, хранятся в разных местах памяти, а временами сравнива­ ются. То, что нужно непременно не забыть, мы время от времени извле­ каем из собственной памяти, повторяем и прячем обратно.

Внешние помехи поведению возникают в окружающей среде и в теле животного. Всегда существует рассогласование между ситуацией, кото­ рая имеется в памяти, и истинным положением дел. И всегда длинные цепочки физико-химических превращений в нервах и мышцах, вызван­ ные командой мозга, приводят не совсем к такому действию, какое было

запрограммировано. Живой организм постоянно и принципиально не­ точен.

Биолог Рабо прикасался к паутине звучащим камертоном. Паук бе­ жал к точке прикосновения, как он делает всегда: обычно дрожание паутины исходит от мухи, бьющейся в клейких сетях. Следующий раз Рабо отрывал у паука одну или две ноги с одной стороны тела. Паук не уклонялся в сторону, хотя старые программы движения, очевидно, не годились. Ноги с поврежденной стороны начинали работать энергич­ нее, чем с другой. Органами чувств паук улавливал рассогласование между назначенным направлением и смещением своего искалеченного тельца и устранял его, изменяя движения. Водяного клопа ослепляли на один глаз. Сначала он кружил, как рыбка в опытах Хольста, но потом его движения становились нормальными. Собака, потерявшая лапу, приспосабливается ковылять на трех. Собака, потерявшая обе задние-

174

лапы, ходит на двух передних, как птица, вытягивая шею, чтобы сохра­ нить равновесие. Обратные связи компенсируют помехи, обеспечивают выполнение общих задач поведения.

Мы ожидаем, что новые полезные навыки не могут возникнуть ина­ че, как за счет внешних потенциалов информации, а этот процесс мо­ жет протекать только в соответствии с принципом «проб и ошибок». И это обстоятельство было подмечено психологами, в частности знаме­ нитым Торндайком. Пояснить его может один наглядный пример.

В последнее время появилось довольно много научно-фантастиче­ ских романов о путешествиях в космосе. И вот, попадая по воле автора куда-нибудь на Венеру или Марс, вы обнаруживаете некую волни­ стую, переливающуюся красками равнину, на которой возвышаются странные грибообразные... что? — строения, растения, может быть, созна­ тельные существа? Автор не раскрывает этого сразу.

Вам предстоит войти в этот мир и жить в нем.

Осторожно вы спускаете дрожащие ноги через люк космолета и ка­ саетесь поверхности... О, есть поверхность, есть на что опереться! Так же неуверенно, испытывая напряжение в коленях и неловкость во всем теле, вы делаете первый шаг. Скользко ли тут, не качнется ли поверх­ ность, не провалится ли после первого шага? Вы не задаете этих вопро­ сов ни себе, ни спутникам, вы только испытываете результаты ваших движений. Постепенно вы приучаетесь к виду этого мира, улавливаете направление света и перспективное искажение фигур, начинаете зри­ тельно ощушать пространство, которое вначале было дано в возможно­ сти двигаться дальше, не налетев лбом на феерическую стену.

Сложная задача! Но еще сложнее та, которую решает новорожденный ре­ бенок, входящий в наш обычный зем­ ной мир. Он делает движения — это случайные движения, так как из множе­ ства выборов, допускаемых устройством его рук и ног, он не может предпочесть ни одного. Каждый вариант некоторое время сохраняется в памяти. И когда од­ на из программ дает результат (когда, например, ребенку удается схватить ко­ лечко или соску), совпадение фиксирует­ ся. Так код действия связывается с кодом сообщения, и теперь сигнальной системе ребенка предстоит лишь спрашивать у самой себя: тот ли это вариант сообщения, котопьтй уже оправдал свою связь с ва­ риантом действия?

175

Так накапливается информация в сигнальной системе. Принцип здесь, совершенно так же, как и в наследственности, заключается в том, что шум, возникающий в системе, проходит через внешний мир и при обратном воздействии на систему становится содержательным.

Многими тысячами экспериментов с животными был проверен принцип «естественного отбора» форм поведения. Червяку, вылезающе­ му из норки, подсовывали влажную землю и рядом кусок отвратитель­ ной для него наждачной бумаги. Слепой червь нащупывал, пробовал, ошибался, но находил дорогу к пище. Голубям предлагали зерна разно­ го цвета и величины, причем некоторые из них были коварно приклеены к дощечке так, что их нельзя было склюнуть. Мышей и крыс гоняли по лабиринтам. И всегда после ряда довольно хаотических проб сначала появлялась внезапная «мутация поведения», а затем животное бодро и уверенно пользовалось находкой, пока она не переходила в почти не занимающую внимания привычку.

Но чисто ли случайны были пробы?

Нет, почти никогда они не бывают совершенно случайны. Организм ведет пробы, исходя от уже достигнутого положительного результата и в некотором, наиболее вероятном направлении.

Поля вероятного перехода на графике поведения изменяются в двух противоположных направлениях. Во-первых, они расплываются, как чер­ нильное пятно на промокашке. Во-вторых, они постепенно сокращают­ ся, как изображение на экране кино, когда отъезжает кинокамера. Преимущественно сокращаются пустые расстояния между пятнами: поля упаковываются более плотно.

Первое свойство поведения выражается в предсказании возможных изменений его, в предвидении будущего результата собственных, еще не совершенных действий. «Когда обезьяна строит свою вышку, чтобы достать плод, — говорил Павлов, — то это условным рефлексом назвать нельзя. Это есть случай образования знания, улавливание нормальной связи вещей». Биолог Л. Крушинский назвал эту форму поведения «экстраполяционным рефлексом».

В опытах Крушинского птица склевывает зерна с кормушки, при­ крепленной к движущейся ленте. Когда кормушка скрывается в тонне­ ле, птица спешит к выходу из тоннеля; она предвидит место, где кор­ мушка появится снова.

Второе свойство прямо не отражается на поведении, но оно дает возможность освобождать часть памяти для новых навыков, новых ощу­ щений. Никакая память не могла бы вмещать без отбора однообразные сигналы органов чувств и те случайные комбинации действий, которые однажды привели к осуществлению цели. Постоянный поиск более со­ держательного выражения информации, в свою очередь, порождает многие варианты, которые увеличивают избыточность. Они отбрасывают­ ся тотчас после сравнения с имеющимися, если новые менее экономны. Этот процесс происходит без накопления новой информации; совершен­ ствуется только изложение уже имеющихся сообщений и команд.

176

Если бы нам удалось из технических частей построить матрицу, управляющую действиями движущейся модели, и на ней осуществля­ лась бы такая статистика, поведение модели было бы поразительно схо­ же с действиями живых существ.

Поведение животных и человека изучалось в разные времена раз­ ными методами. Некоторые ученые и любители просто наблюдали, на­ капливали факты. От Декарта до Жака Лёба многие стремились нахо­ дить в животных черты, свойственные автоматическим машинам. Но поскольку тогдашние машины были очень примитивными, неизменно оказывалось, что простая домашняя муха «разумнее» их. и ее поведение

(грубо говоря, машина), как и всякая другая в природе, подчиняющаяся неизбежным и единым для всей природы законам, но система — в гори­ зонте нашего современного научного видения — единственная по высо­ чайшему саморегулированию». Павлов не только тщательно изучал внешние проявления поведения животных, но и высказывал мудрые ги­ потезы о том, что происходит внутри. К сожалению, техника в его годы не позволяла поставить инженерный эксперимент и проверить, будет ли «система», имеющая только то, что приписывает ей гипотеза, вести себя так, как изучаемое живое существо. Но именно Павлов увидел и одоб­ рил первую кибернетическую модель животного. Это был электронный «пес», построенный в 1935 г. на ленинградском заводе «Светлана».по инициативе инженера Г. Бабата.

Кибернетик идет по лабиринту психологических проблем своеобраз­ ным путем. Он параллельно изучает поведение животного и поведение модели, создаваемой им на бумаге или в металле. Он находит рассогла­ сования между свойствами модели и объекта, чтобы внести в модель необходимые принципиальные дополнения. Этот метод составляет осно­ ву всякой науки. «До тех пор, — говорит Дж. Бернал, — пока вы не смо­ жете расчленить вещь или процесс, вы ничего не сможете с ним сделать,

действующей, у вас не будет возможности убедиться в том, внедрили вы что-то новое или же что-либо упустили в своем анализе».

12 Л, Теплое

АЛ Г Е Б РЫ

одинаковые математические модели отношений между разными вещами

Модель предсказывает будущее. * Индукция и дедукция — два метода моделирования. $ Отношения простейшие и всеобщие. * Сходные алгебры слов и чисел, усилителей и линий чертежа. $ Образование алгебр. # Ариф­ метика нулей и единиц. $ Десять пальцев или одно копыто! * Формулы мыслей и доказательств. * Алгебры электрических переключателей и нервных клеток. * Схемы, предсказанные математиками, находят в живых

тканях. * Схема, которая сомневается, верит и отрицает.

Легенды и древние сказания наделяют своих главных героев одним особенным качеством: они великолепно предвидят будущее. Пока персо­ нажи менее важные рыщут под облаками и побивают великанов, самый главный герой сидит в мрачной пещере, проделывает нечто непонятное и наперед знает все на свете.

Все сказочные качества при ближайшем рассмотрении оказываются преувеличениями обычных человеческих способностей. С помощью своего мозга человек действительно предвидит будущее: так мы передви­ гаемся во времени взад и вперед. Когда вы идете по улице, ноги ша­ гают, руки что-то держат, а мозг вместе с глазами, ушами и другими своими осведомителями занят тем, что предвидит каждый следующий шаг — и место, куда вы направляетесь, и все, что встретится вам на зна­ комой улице.

Информация из будущего не приходит никогда, для этого нет ни потенциалов, ни каналов информации. Но в информации о прошлом! всегда содержится информация и о будущем.

178